基于电网频率的柔性负荷自主控制系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种基于电网频率的柔性负荷自主控制系统，包括电网频率采集模块、DSP控制器、控制输出模块，控制输出模块包括：柔性负荷控制器和无线信号发送模块，柔性负荷控制器用于插座通电或断电控制；无线信号发送模块用于具备无线控制功能的电力负荷的调节控制。本发明还公开了一种基于电网频率的柔性负荷自主控制系统的控制方法，根据电网的实时供电频率调节电力负荷的用电功率或者决定是否切断电力负荷的电源。本发明实现了柔性精细化电力负荷自主控制，显著提高了电网的频率调控能力，保障针对特高压直流双极闭锁等严重故障情况下的电网弹性恢复能力，适用于家居电器的柔性化自主控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于电网频率的柔性负荷自主控制系统，还涉及一种基于电网频率的柔性负荷自主控制系统的控制方法，属于电力系统技术领域。

背景技术

在由自给自足的区域电网转变为大型受端电网后，电网运行特性将发生根本性改变，面临着诸多新的技术问题，尤其是跨区域交直流送电通道因设备、外破、灾害、故障闭锁等原因而停运的风险，特别是在大功率输送期间的突然停运，将直接对大受端电网的安全稳定运行造成较大的冲击。如何在特高压交直流输电通道停运时有效快速地调整负荷，最大幅度地减少对用户的停电影响已成为电网新的运行格局下亟待解决的重要问题。因此，迫切需要充分利用基于用户智能互动的负荷精细化控制技术，研究面向用户设备终端的新型自主柔性控制技术，为特高压大区域互联背景下的江苏电网安全运行提供坚强技术保障。

近年来，由于电动汽车、分布式微网系统等具有与电网双向互动能力的新型负荷的发展，使得柔性负荷这一新型调度模式备受关注。柔性负荷能够根据电网的供电功率在指定区间内或者不同时间段内自动调整自身用电量的负荷，柔性负荷是未来电网调度的研究热点。而目前的营销负控属于粗放式控制，控制范围内，所有的负荷都实施中断，不区分具体的用电设备类型和重要用户。由于用户在之前已经与营销签订了可中断负荷合同，可以获得相应的经济补偿或者价格激励。

电网频率与有功功率平衡有着较为直接的关系，当需求有功功率等于供给有功功率时，电网频率保持不变，当需求有功功率大于供给有功功率时，电网频率下降，反之上升。针对这一特性，申请人研究了一种通过感知电网频率下降实现柔性负荷自主控制的控制系统及控制方法，以提升电网的频率调控能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电网频率的柔性负荷自主控制系统，解决现有技术中因电网供给有功功率不足导致电网频率下降、电网频率调控能力差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：基于电网频率的柔性负荷自主控制系统，包括电网频率采集模块、DSP控制器、控制输出模块和人机交互模块；所述电网频率采集模块的输出端与DSP控制器的输入端连接，所述控制输出模块的输入端与DSP的输出端连接，所述人机交互模块与DSP控制器双向信号连接；

所述控制输出模块包括：柔性负荷控制器和无线信号发送模块，所述柔性负荷控制器通过控制插座的通电或断电，实现通过插座取电的电力负荷的通电或断电；所述无线信号发送模块通过发送无线调节信号，实现具备无线控制功能的电力负荷的调节控制；

电网频率采集模块实时采集电网频率，DSP控制器根据电网频率进行比较判断，选择对应的负荷柔性控制策略或者通过人机交互模块输出报警，控制输出模块根据DSP输出的控制策略对各电力负荷进行用电功率控制。

所述柔性负荷控制器包括固态继电器，所述固态继电器的一次端接至220V交流电中，220V交流电经过固态继电器连接插座；固态继电器的二次控制端通过三极管Q2接入DSP控制器的IO口；

当DSP控制器的IO口为高电平时，三极管Q2饱和导通，固态继电器一次端闭合，插座通电；当DSP控制器的IO口为低电平时，三极管Q2截止，从而固态继电器一次端断开，插座断电。

所述无线信号发送模块为全方向万能红外遥控器，包括多个红外信号发射管，各红外发射管通过各自的红外发射管驱动电路分别与DSP控制器连接。

所述具备无线控制功能的电力负荷包括：空调和电视机。

所述人机交互模块包括：液晶触摸屏和语音模块，当电网频率下降至需要调整负荷用电功率时，语音模块输出语音播报警示，同时，液晶触摸屏以文字提示的方式向用户征求自主控制权限；自主控制权限开放后，再次检测到电网频率下降时，人机交互模块将不再向用户征求控制权限，而是自主调整负荷用电功率；当电网频率超过设定的电网频率上限时，DSP控制器通过语音模块输出电网频率过高报警信息。

所述电网频率采集模块包括单相交流电频率采集模块和三相交流电频率采集模块；单相交流电频率采集模块将输入的单相正弦交流电信号转换为同频率的方波信号，并接入DSP控制器的方波捕获口；三相交流电频率采集模块将电网A、B、C三相正弦输入信号转换为单极性差分信号。

本发明还公开了一种基于电网频率的柔性负荷自主控制系统的控制方法，根据电网的实时供电频率调节电力负荷的用电功率或者决定是否切断电力负荷的电源，具体为：

当电网实时供电频率超出设定电网正常工作频率上限值时，输出报警；

当电网实时供电频率低于设定电网正常工作频率下限值且高于电网频率下限极值时，降低电力负荷用电功率或者切断电力负荷电源；

当电网实时供电频率低于电网频率下限极值时，切断除照明负荷外的所有电力负荷。

所述电力负荷包括照明负荷、空调和电视机，具体控制方法如下：

实时采集电网信号，计算电网频率；

当电网频率≥50.5Hz时，输出电网频率过高报警信息；

当49.8Hz≤电网频率＜50.0Hz时，电网频率属正常范围，不做任何调整；

当49.0Hz≤电网频率＜49.8Hz时，若电网频率持续低于49.8超过5分钟，将自主调整空调负荷，使空调设定温度与环境温度差最高为8℃；

当48.5Hz≤电网频率＜49.0Hz时，继续自主调整空调负荷，使空调设定温度与环境温度差最高为5℃；

当电网频率＜48.5Hz时，仅为照明负荷供电，切断包括空调、电视机在内的其余电力负荷。

计算电网频率的方法如下：

对于单相交流电信号，通过电压互感器采集单相正弦电压信号，依次经低通滤波器、过零检测电路，转换为同频率的方波信号，方波信号接入DSP控制器的输入捕获单元，输入捕获单元采集DSP事件管理器EVA的捕获单元CAP1，并选定时器T1作为CAP1的时间基准，定时器T1工作在连续递增计数模式；并设定捕获单元CAP1捕获方波信号的上升沿；捕获前要清中断标志位，开捕获中断；通过两次捕获中断触发的时间间隔即可得到该方波信号的频率，即为单相交流电信号的频率；

对于三相交流电信号，通过电压互感器分别采集各相正弦电压信号，将各相正弦电压信号分别经过低通滤波器、差分转换电路，转换为单极性差分模拟信号，DSP控制器通过模数转换将三相电压的单极性差分模拟信号转换为数字信号，通过如下方法计算获得三相交流电的实时供电频率：

设三相交流电实时电压的表达式分别为：

u_A(t)＝U_m>

$u_B\left(t\right)=U_{m}cos(wt-\frac{2}{3}\pi )$

$u_C\left(t\right)=U_{m}cos(wt+\frac{2}{3}\pi )$

设

则三相电压幅值其中：w为电网角频率；

则取第k次和k-1次的采样值计算电网频率如下：

$f=\frac{\arccos \left(\frac{u_A\left(k\right)u_A(k-1)-u_A^{\prime }\left(k\right)u_A^{\prime }(k-1)}{U_m^2}\right)}{2{\mathrm{\pi T}}_S}$

其中，T_S为DSP控制器的采样周期，k为≥2的正整数。

与现有技术相比，本发明所产生的有益效果是：实时感知电网频率，根据电网频率对电力负荷进行分级控制，实现柔性精细化电力负荷自主控制；采用语音模块和液晶触摸屏进行人机交互，在保证控制系统与用户进行正常信息交互的情况下，提高用户体验；能够有效解决因电网供给有功功率不足导致电网频率下降的技术问题，显著提高电网的频率调控能力，保障针对特高压直流双极闭锁等严重故障情况下的电网弹性恢复能力。本发明适用于普通家居电器的柔性化自主控制。

附图说明

图1是本发明提供的基于电网频率的柔性负荷自主控制系统的结构框图。

图2是图1中单相交流电频率采集模块的电路原理图。

图3为图1中三相交流电频率采集模块中A相交流电频率采集的电路原理图。

图4为图1中控制输出模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，是本发明提供的基于电网频率的柔性负荷自主控制系统的结构框图，包括：电网频率采集模块、DSP控制器、控制输出模块和人机交互模块。电网频率采集模块的输出端与DSP控制器的输入端连接，控制输出模块的输入端与DSP的输出端连接，人机交互模块与DSP控制器双向信号连接。

电网频率采集模块通过电压互感器连接到电网系统，并将电压互感器信号进行调理以供DSP控制器感知电网频率。电网频率采集模块包括单相交流电频率采集模块和三相交流电频率采集模块。单相交流电频率采集模块将输入的单相正弦转换为同频率的方波信号，并接入DSP控制器的方波捕获口。三相交流电频率采集模块将电网A、B、C三相正弦交流电输入信号转换为单极性差分信号。

如图2所示，是单相交流电频率采集模块的电路原理图，包括顺序串联的第一电压互感器、第一低通滤波器和过零检测电路。第一电压互感器采用精密2mA/2mA电压互感器，220V单相交流电通过160千欧的电阻R7接至第一电压互感器的一次侧，第一电压互感器的二次侧通过1.5千欧的电阻R13将220V单相交流电信号转为幅值为3V的正弦信号。第一低通滤波器是采用AD648运放、电阻R8、电阻R1、电容C1搭建的有源低通滤波器，第一低通滤波器的-3dB截止频率为63.7Hz。过零检测电路将幅值为3V的正弦信号转为同频率的方波信号，3V的正弦信号首先通过二极管D1进行半波整流，此时原正弦信号只剩下正半周部分，变成半波正弦信号，该半波正弦信号进而通过电压比较器LM339和1.1V参考电压进行比较。1.1V参考电压由电阻R15、R16分压而得。电压比较器LM339的功能是：当半波正弦信号的电压高于1.1V时，电压比较器LM339输出低电平；当半波正弦信号的电压低于1.1V时，电压比较器LM339输出高电平。这样，220V单相交流电就转换为同频率的方波信号，该方波信号接入DSP控制器的输入捕获单元。输入捕获单元采用DSP事件管理器EVA的捕获单元CAPl，并选定时器T1作为CAPl的时间基准，T1工作在连续递增计数模式。并设定捕获单元CAP1捕获方波信号的上升沿。捕获前要清中断标志位，开捕获中断。通过两次捕获中断触发的时间间隔即可得到该方波信号的频率，即220V单相交流电的频率。

三相交流电频率采集模块包括三组第二电压互感器、三组第二低通滤波器和三组差分转换电路，三组第二电压互感器分别用于测量A相、B相、C相的交流电信号，三组第二低通滤波电路分别对三相交流电信号进行低通滤波，最后连接至差分转换电路。下面以A相交流电为例，对三相交流电频率采集模块作进一步的详细描述。

第二电压互感器与前述的第一电压互感器的电路结构完全相同，第二低通滤波器与前述的第一低通滤波器的电路结构完全相同。A相交流电经过第二电压互感器和第二低通滤波器后转为幅值为3V的正弦交流信号，该正弦交流信号是双极性的，即信号电压有正有负。由于DSP控制器的AD转换模块不能接入负电压，故将该正弦交流信号进而通过差分转换电路转换为单极性差分正弦信号。单极性差分正弦信号的原理机制如下：S+和S-输出口的电压分别都是正电压，但是S+和S-的差值是正弦信号。差分信号能够有效的降低共模噪声，提高信号信噪比。

差分转换电路包括运算放大器U3，运算放大器U3的正极输入端串联电阻R9后与第二低通滤波电路的输出端电连接，负极输入端串联电阻R14后接地。运算放大器U3的正极输出端串联电阻R12后、负极输出端串联电阻R10后分别与DSP控制器的AD转换接口连接。运算放大器U3的正极输入端和负极输出端之间还串联有电容C3，正极输入端还串联电阻R3后与电阻R10和DSP控制器的电接点电连接。运算放大器U3的负极输入端和正极输出端之间还串联有电容C4，负极输入端还串联电阻R17后与电阻R12和DSP控制器的电接点电连接。运算放大器U3选用的是OPA1632，由于DSP控制器的AD转换模块最高电压为3V，因此，OPA1632的共模电压输入口给1.5V的参考电压，从而保证差分运放输出端电压以1.5V共模电压为中心对称。差分转换电路的正弦信号输入幅值是±3V，为了防止电压浪涌信号烧坏AD采集模块，本发明配置差分转换电路的差分转换增益为2/3，即电阻R3与电阻R9的比值。这样幅值为3V的正弦信号经过差分转换电路变为幅值为2V的差分正弦信号，从而保证差分转换后的信号能够完全在DSP控制器的AD转换模块的量程范围内。幅值为2V的差分正弦信号连接到DSP控制器的ADC1口和ADC2口，DSP控制器将ADC2通道的AD值减去ADC2通道的AD值即得到幅值为2V，并与A相交流电输入同频率的正弦信号。

同理，B相交流电输入连接到DSP控制器的ADC3口和ADC4口；C相交流电输入连接到DSP控制器的ADC5口和ADC6口。B相和C相通道的电路原理与A相完全相同。

控制输出模块包括：柔性负荷控制器和无线信号发送模块。柔性负荷控制器通过控制插座的通电或断电，实现通过插座取电的电力负荷的通电或断电，通过插座取电的电力负荷主要指照明负荷。无线信号发送模块优选全方向万能红外遥控器，通过发送无线红外信号，实现具备无线控制功能的电力负荷的调节控制，此处具备无线控制功能的电力负荷包括空调、电视机。

如图4所示，为控制输出模块的电路原理图。柔性负荷控制器包括固态继电器K1，DSP控制器的IO口GPIOA1通过8050三极管Q2进行功率放大，进而控制交流固态继电器K1的二次控制端，固态继电器的一次端接到220V交流电中，220V交流电经过固态继电器K1接到插座中，室内照明负荷通过插座取电。当GPIOA1为高电平时，三极管Q2饱和导通，从而固态继电器一次端闭合，插座有电，照明负荷点亮。当GPIOA1为低电平时，三极管Q2截止，从而固态继电器一次端断开，插座断电，照明负荷熄灭。

全方向万能红外遥控器的核心器件是红外信号发射管DS1，红外信号发射管DS1可以发出波长为940纳米的红外光。由于DSP控制器的IO口GPIOA0驱动能力有限，故此处采用8050三极管Q1组成功率放大电路驱动红外信号发射管DS1。12V的电源电压经过R18限流后通过三极管Q1的开断作用控制红外信号发射管DS1。红外遥控信号采用38.5KHZ方波信号对红外光进行调制。DSP控制器中集成有不同品牌的家用空调、电视的遥控协议，从而可以控制不同品牌，不同型号的家用空调或电视。为了保证该红外遥控信号的全方向发射，本发明设置了8个相同的红外信号发射管DS1，从而使得信号能够全向发射。

人机交互模块包括：液晶触摸屏和语音模块，当电网频率下降至需要调整负荷用电功率时，语音模块输出语音播报警示，同时，液晶触摸屏以文字提示的方式向用户征求自主控制权限；自主控制权限开放后，再次检测到电网频率下降时，人机交互模块将不再向用户征求控制权限，而是自主调整负荷用电功率；当电网频率超过设定的电网频率上限时，DSP控制器通过语音模块输出电网频率过高报警信息。

本发明还公开了一种基于电网频率的柔性负荷自主控制系统的控制方法，根据电网的实时供电频率调节电力负荷的用电功率或者决定是否切断电力负荷的电源：当电网实时供电频率超出设定电网正常工作频率上限值时，输出报警；当电网实时供电频率低于设定电网正常工作频率下限值且高于电网频率下限极值时，降低电力负荷用电功率或者切断电力负荷电源；当电网实时供电频率低于电网频率下限极值时，切断除照明负荷外的所有电力负荷。

对于家居电器的柔性化控制，电力负荷包括照明负荷、空调和电视机，空调作为家用电器的大功率电力负荷，是柔性自主调节控制的关键，具体控制方法如下：

步骤一：实时采集电网信号，计算电网频率，具体方法如下：

对于单相交流电信号，通过电压互感器采集单相正弦电压信号，依次经低通滤波器、过零检测电路，转换为同频率的方波信号，方波信号接入DSP控制器的输入捕获单元，输入捕获单元采集DSP事件管理器EVA的捕获单元CAP1，并选定时器T1作为CAP1的时间基准，定时器T1工作在连续递增计数模式；并设定捕获单元CAP1捕获方波信号的上升沿；捕获前要清中断标志位，开捕获中断；通过两次捕获中断触发的时间间隔即可得到该方波信号的频率，即为单相交流电信号的频率；

对于三相交流电信号，通过电压互感器分别采集各相正弦电压信号，将各相正弦电压信号分别经过低通滤波器、差分转换电路，转换为单极性差分模拟信号，DSP控制器通过模数转换将三相电压的单极性差分模拟信号转换为数字信号，通过如下方法计算获得三相交流电的实时供电频率：

设三相交流电实时电压的表达式分别为：

u_A(t)＝U_m>

$u_B\left(t\right)=U_{m}cos(wt-\frac{2}{3}\pi )$

$u_C\left(t\right)=U_{m}cos(wt+\frac{2}{3}\pi )$

设

则三相电压幅值其中：w为电网角频率；

则取第k次和k-1次的采样值计算电网频率如下：

$f=\frac{\arccos \left(\frac{u_A\left(k\right)u_A(k-1)-u_A^{\prime }\left(k\right)u_A^{\prime }(k-1)}{U_m^2}\right)}{2{\mathrm{\pi T}}_S}$

其中，T_S为DSP控制器的采样周期，k为≥2的正整数。

步骤二：比较判断，控制策略输出：

当电网频率≥50.5Hz时，DSP控制器通过控制语音模块输出电网频率过高报警信息；

当49.8Hz≤电网频率＜50.0Hz时，电网频率属正常范围，不做任何调整；

当49.0Hz≤电网频率＜49.8Hz时，已进入电网事故频率，电网运行总持续时间不得超过30分钟，因此自主柔性负荷控制器监测低于49.8Hz持续5分钟后，将自主调整空调负荷，通过全方向万能红外遥控器将空调设定温度调整，保证空调设定温度与环境温度差最高为8℃；

当48.5Hz≤电网频率＜49.0Hz时，自主调整空调负荷，通过全方向万能红外遥控器将空调设定温度调整，保证空调设定温度与环境温度差最高为5℃；

当电网频率＜48.5Hz时，仅为照明负荷供电，切断包括空调、电视机在内的其余电力负荷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。